Il salto verso computer quantistici realmente scalabili potrebbe arrivare da un componente ottico più piccolo di un capello umano. Un team di ricercatori dell'Università del Colorado Boulder e dei Sandia National Laboratories ha sviluppato un modulatore di fase ottico che riduce di 80 volte il consumo energetico rispetto alle soluzioni commerciali attuali, aprendo la strada a macchine quantistiche con centinaia di migliaia di qubit. La vera rivoluzione non sta solo nelle dimensioni microscopiche del dispositivo, ma nel fatto che può essere prodotto in massa utilizzando i processi CMOS standard dell'industria dei semiconduttori, gli stessi che fabbricano chip per computer, smartphone e componenti elettronici di consumo.
Il cuore dell'innovazione risiede nell'utilizzo di vibrazioni a frequenza di microonde che oscillano miliardi di volte al secondo, permettendo di manipolare la luce laser con una precisione straordinaria. Questa tecnologia è fondamentale per le architetture quantistiche più promettenti, basate su ioni intrappolati e atomi neutri confinati, dove ogni qubit è rappresentato da un singolo atomo che deve essere indirizzato da fasci laser sintonizzati con accuratezza estrema. Il dispositivo consente di generare nuove frequenze ottiche attraverso una modulazione di fase efficiente, una capacità essenziale per il controllo simultaneo di migliaia di canali quantistici.
Il professor Matt Eichenfield, titolare della cattedra Karl Gustafson per l'ingegneria quantistica, sottolinea il problema della scalabilità con i sistemi attuali: "Non si può costruire un computer quantistico con 100.000 modulatori elettro-ottici bulk distribuiti in un magazzino pieno di tavoli ottici". I sistemi convenzionali per la generazione di frequenze occupano interi banchi da laboratorio e richiedono enormi quantità di potenza a microonde, una soluzione praticabile per dimostrazioni sperimentali ma insostenibile per le macchine quantistiche del futuro che necessiteranno di centinaia di migliaia di canali ottici indipendenti.
La ricerca guidata da Jake Freedman, dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Informatica ed Energetica, si concentra proprio su questo collo di bottiglia tecnologico. Creare copie di un laser con differenze di frequenza estremamente precise rappresenta uno degli strumenti più critici per i computer quantistici basati su atomi e ioni, ma farlo su scala industriale richiede tecnologie capaci di generare tali frequenze con efficienza radicalmente superiore. Il nuovo modulatore consuma circa 80 volte meno potenza rispetto ai dispositivi commerciali, riducendo drasticamente la dissipazione termica e permettendo l'integrazione di numerosi canali sulla stessa superficie di silicio.
L'aspetto più rivoluzionario dell'approccio riguarda il processo di fabbricazione: il dispositivo è interamente realizzato in una fonderia di semiconduttori utilizzando tecnologie CMOS standard. Questa scelta progettuale non è solo una questione di costi, ma rappresenta un cambio di paradigma nell'approccio all'hardware quantistico. Come evidenzia Eichenfield, la fabbricazione CMOS è la tecnologia più scalabile mai inventata dall'umanità, capace di produrre milioni di dispositivi fotonici identici con la stessa affidabilità e i costi marginali che hanno reso possibile l'era dell'elettronica di massa.
Nils Otterstrom, co-autore senior dello studio e ricercatore presso i Sandia National Laboratories, paragona questo sviluppo alla rivoluzione del transistor: dispositivi che in passato erano costosi e affamati di energia diventano improvvisamente efficienti e compatti, spingendo la fotonica verso la propria trasformazione industriale. La riduzione delle dimensioni fisiche, quasi 100 volte inferiore al diametro di un capello umano, combinata con l'efficienza energetica migliorata, consente di disporre molti più canali fianco a fianco, anche su un singolo microchip, senza problemi di interferenza termica o dissipazione.
Il team sta ora lavorando all'integrazione di circuiti fotonici completi che combinano generazione di frequenze, filtraggio e modulazione di impulsi sulla stessa piattaforma di silicio. Freedman descrive il modulatore come "uno degli ultimi pezzi del puzzle" verso una piattaforma fotonica veramente scalabile, capace di controllare numeri molto elevati di qubit. L'obiettivo è costruire sistemi quantistici che superino le poche decine o centinaia di qubit delle macchine attuali, raggiungendo le migliaia o decine di migliaia di elementi necessari per affrontare problemi computazionali pratici.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, è stato finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso il programma Quantum Systems Accelerator, un'iniziativa nazionale per accelerare lo sviluppo di tecnologie quantistiche utilizzabili. Per il settore europeo, questa tipologia di ricerca ha implicazioni significative: mentre l'Europa investe pesantemente in piattaforme quantistiche attraverso il programma Quantum Flagship, l'integrazione con processi di fabbricazione consolidati potrebbe ridurre la dipendenza da hardware personalizzato e costoso, rendendo più accessibile la sperimentazione e lo sviluppo di applicazioni pratiche.
La convergenza tra fotonica integrata e calcolo quantistico rappresenta una delle frontiere più promettenti dell'ingegneria contemporanea. Se i prossimi passi del team confermeranno la possibilità di integrare tutti i componenti necessari al controllo di array di qubit su singoli chip fabbricabili in volumi industriali, potremmo assistere a un'accelerazione significativa nella transizione dai prototipi di laboratorio ai sistemi quantistici utilizzabili in contesti reali, dall'ottimizzazione logistica alla scoperta farmaceutica, dalla crittografia avanzata alla simulazione di materiali complessi.
